制约纤维素乙醇的技术难点及其研究进展

从原料预处理技术、纤维素酶技术、水解发酵工艺以及原料的综合利用技术等几个方面,对制约木质纤维素乙醇的技术难点进行了分析与讨论。     

植物纤维制备燃料乙醇的关键技术

由于中国人口众多、土地资源紧缺,农林植物纤维是发展燃料乙醇的可靠原料.南京林业大学在日处理原料5 吨、日产乙醇0.8吨的农林植物纤维生产燃料乙醇中试生产线上的研究结果表明,植物纤维经蒸汽爆破预处理后,用里氏木霉制备的纤维素酶进行酶水解,纤维素和半纤维素水解得率达71.3 %.含戊糖己糖的水解糖液经树干毕赤酵母发酵转化,糖利用率为87.2 %,乙醇得率为 0.43 g 乙醇/g消耗的糖,生产成本为每吨乙醇4000元左右.为使该技术形成生产力,有待解决的关键技术有:1)能耗低、损耗少的原料预处理技术,特别是蒸汽爆破预处理技术的研究;2)纤维素酶活力高、酶系结构合理的纤维素酶制备和酶水解技术,包括纤维素酶制备基因工程菌的构建,纤维素酶制备的定向调控,高β - 葡萄糖苷酶活力纤维素酶的合成,以及高糖化率纤维素酶水解模式和技术方法;3)戊糖代谢的研究,包括戊糖代谢调控发酵的研究和戊糖己糖同步发酵微生物基因工程菌株的构建;4)植物纤维资源制取乙醇的关键技术的整合和集成;5)能源木本植物的研究.     

木质纤维生物质同步糖化发酵(SSF)生产乙醇的研究进展

综述了有关木质纤维生物质原料同步糖化发酵生产乙醇的最新研究进展和未来发展方向:同步糖化发酵是一种用于从木质纤维原料生产乙醇的工艺过程,此工艺的优点是酶水解与发酵同时进行,可以减少最终产物对酶水解的抑制作用,并减少投资成本,是最具发展潜力和优势的工艺之一。近年来在优化预处理工艺、降低纤维素酶成本以及己糖戊糖协同发酵等方面的研究都取得了长足的进步,其中以小麦秸秆为原料进行同步糖化发酵所得到的乙醇浓度接近40g/L。     

纤维素乙醇发酵技术的研究进展

木质纤维素乙醇是保证能源与资源安全的非常有前景的一种产业,发酵技术是木质纤维素乙醇生产工艺的核心,发酵工艺技术的优劣对于木质纤维素乙醇生产的成本与乙醇产率具有重要的影响,决定发酵技术优劣的因素不仅有发酵和糖化的工艺策略,还包括可糖化水解纤维素和半纤维素的微生物。文章对木质纤维素乙醇的发酵技术进行了总结与讨论,主要包括相关的微生物、发酵工艺、水解和发酵策略等方面,对各个不同技术及工艺的定义,优缺点以及发展前景进行了概述。     

木质纤维素转化为燃料乙醇的研究进展

以木质纤维素为原料生产燃料乙醇的生物转化方法包括预处理、酶水解和发酵过程,对这些过程中的技术进展以及解决现存问题的方法进行了评述。氨法爆破技术是较好的预处理方法,超声波、微波处理等新技术有助于改善酶水解。阐述了酶水解机理、纤维素酶的生产以及酶水解过程的优化方法。指出固定化酶糖化发酵技术在生物转化木质纤维原料技术中的前景广阔;选择合适的发酵方法,优化发酵过程,以及解决抑制问题对于提高乙醇产率尤为重要;利用基因重组技术构建旨在发酵混合糖的重组菌对于生产生物乙醇具有里程碑意义。     

玉米秸秆发酵制备燃料乙醇生产工艺的思考

玉米秸秆属于再生资源的一种,并且具有原材料廉价和资源数量丰富的特点,主要由纤维素和木质素构成,秸秆在经过一定加工工艺后,如预处理、水解处理、发酵处理会分解产生乙醇,这种乙醇极其适合应用在工业燃料制作中。为此,本文分析了玉米秸秆的成分,以及其预处理、水解、发酵等相关加工工艺,旨在为玉米秸秆制备燃料乙醇提供技术参考。     

杨木废弃物预处理技术和水解反应动力学的研究(摘要)

以纸厂备料段的杨木废弃物为原料,对预处理工艺(包括湿氧化法、亚硫酸氢钠法、机械法和黄孢原毛平革菌法)的效果进行了研究,采用X-射线衍射、扫描电镜、热重分析仪、红外光谱、高效液相色谱和气质联用等分析手段对预处理所得物料和预处理液进行了分析,从而表征预处理过程中发生的物理化学变化;探讨了物料水解工艺(包括浓硫酸、稀硫酸和纤维素酶水解)对纤维转化率的影响,对水解残渣和水解液进行了表征,并建立了相应的动力学模型;最后对酶解液进行发酵成功制取了乙醇.     

木质纤维素预处理技术研究进展

木质纤维素转化燃料乙醇一般需要经过原料预处理、酶水解和发酵过程。由于木质纤维原料化学结构复杂、直接酶解效率非常低,一般在酶水解之前需要进行适当的预处理以打破其致密结构,增加纤维表面积,提高后续纤维素酶的可及性。预处理程度直接影响纤维底物后续酶水解的效果。本文在木质纤维素常用预处理技术分析的基础上,重点讨论了3种相对高效的预处理技术：微波辅助离子液体预处理、两阶段深度共熔溶剂（DES）预处理和氯化铁预处理技术,分析了它们的优势、不足及发展现状。文中指出微波辅助离子液体预处理可有效解构木质素和半纤维素,破坏纤维素结晶区域,利于后续酶解,但微波加热过程会使离子液体分解和部分底物碳化。两阶段DES预处理可有效提高酶水解效率,但是预处理后原料中残留的DES可能会对后续反应中纤维素酶和微生物产生抑制作用。氯化铁预处理可有效破坏木质素与碳水化合物间的结合键,脱除底物中的半纤维素,而对木质素和纤维素降解较少,具有很好的发展前景。由于单一预处理技术的局限性,寻求低成本高效的联合预处理技术将是未来重点发展的方向。     

植物基因工程对生物燃料生物质特征的改进

全球每年有多达10～50Gt的廉价植物纤维素可再生利用。美国年产40亿加仑的乙醇,大多数是以玉米为原料生产的。目前多数利用微生物产生的纤维素酶对植物纤维素进行降解预处理,去除木质素,转化为可发酵的糖,进而生产乙醇。发酵前预处理及微生物反应器产酶成本都比较高。最新的植物基因工程研究致力于改善这种状况,降低成本,利用植物自身产纤维素酶和木质素酶来降解纤维素和木质素,或者提高生物质总产量或在植株中增产纤维素。     

国外纤维素燃料乙醇研究动态

综述了近几年来燃料乙醇在原料预处理、纤维素水解及发酵环节中的研究进展,指明了这3个环节的研究方向.并介绍了3种国外比较接近实用化的纤维素制燃料乙醇的技术工艺.     

乙醇补料发酵技术研究进展

作为一种可再生的清洁能源,燃料乙醇的开发利用备受关注,对其发酵工艺的研究也日益深入。近年来,补料发酵工艺逐渐应用于燃料乙醇的生产研究中,并以其降低基质抑制和减轻纤维素稀酸水解液中有毒成分的影响等优点而显示了良好的发展潜力,但由于发酵过程的复杂性和对补料控制策略的研究尚不深入等存在的问题,使该技术在燃料乙醇规模化生产中的应用受到制约。本文介绍了国内外乙醇补料发酵研究的主要进展,着重概述补料发酵技术在乙醇两大重要发酵工艺——纤维素乙醇工艺和超高浓度乙醇发酵工艺中的应用以及补料调控策略等,并提出该领域进一步研究应留意的方向,如应加强乙醇补料发酵动力学和控制理论、新型传感器与在线监测技术等方面的研究。     

好氧生物预处理时间对玉米秸秆水解酸化的影响

以玉米秸秆为原料,先经复合菌系进行好氧生物预处理,然后接种厌氧污泥进行厌氧发酵,考察了预处理时间对厌氧发酵的影响,并测定木质纤维素结构及含量变化、关键性酶活、微生物多样性和厌氧发酵酸化产量。研究结果表明：随着预处理时间的延长,玉米秸秆的结构逐渐被破坏,木质素过氧化物酶活性逐渐降低,木聚糖酶和纤维素酶活性逐渐升高,最高分别达0.879和0.025 7 U/mg。放线菌、芽孢杆菌和曲霉菌是秸秆好氧生物预处理中的优势菌群。玉米秸秆经好氧生物预处理2 d,厌氧发酵产酸效果最佳,乙醇和挥发性脂肪酸产量为249.3 mg/g,比未处理提高了46.73%;玉米秸秆经好氧生物预处理5 d,乙醇和挥发性脂肪酸产量为138.2 mg/g,比未处理降低了18.66%。过长的玉米秸秆好氧预处理时间会使玉米秸秆中半纤维素、纤维素过度降解,这是造成玉米秸秆厌氧发酵产酸量下降的主要原因。以能源化、资源化为目的的玉米秸秆厌氧发酵预处理时,利用复合菌系好氧生物处理作为其预处理方法,应严格控制预处理时间,避免因为纤维素、半纤维素过度降解导致的产品产率下降问题。     

Simultaneous saccharification and fermentation of sweet potato powder for the production of ethanol under conditions of very high gravity

Due to its merits of drought tolerance and high yield, sweet potatoes are widely considered as a potential alterative feedstock for bioethanol production. Very high gravity (VHG) technology is an effective strategy for improving the efficiency of ethanol fermentation from starch materials. However, this technology has rarely been applied to sweet potatoes because of the high viscosity of their liquid mash. To overcome this problem, cellulase was added to reduce the high viscosity, and the optimal dosage and treatment time were 8 U/g (sweet potato powder) and 1 h, respectively. After pretreatment by cellulase, the viscosity of the VHG sweet potato mash (containing 284.2 g/L of carbohydrates) was reduced by 81%. After liquefaction and simultaneous saccharification and fermentation (SSF), the final ethanol concentration reached 15.5% (v/v), and the total sugar conversion and ethanol yields were 96.5% and 87.8%, respectively.     

Über die Herstellung von Cellulasen und die enzymatische Spaltung von Cellulose

Production of cellulases and enzymatic cleavage of cellulose . Recent work on production of cellulolytic enzymes and on enzymatic degradation of cellulose is described. For optimum enzyme production by Trichoderma reesei under carefully balanced growth conditions, cellulose levels as high as 2% may be employed. Nitrogen deficit may be economically avoided by adding organic nitrogen in the form of distiller's spent grain and dried ground T. reesei cell mass. Semicontinuous production has been shown to offer further special advantages. Cellulase activity may be directly monitored automatically in a computer-controlled pilot fermentation system. Xylitol and furfural process wastes have been shown to be suitable substrates for cellulase, requiring little or no costly pretreatment. The rate of cellulose hydrolysis is considerably increased by combined use of T. reesei and cellobiase active microorganisms such as Aspergillus phoenicia.     

生物质水解发酵生产燃料乙醇的研究进展

生物质原料丰富多样,用其发酵生产燃料乙醇,能缓解当今世界日益凸显的能源问题.本文综述了这一领域国内外的研究概况,纤维素原料水解发酵制取燃料乙醇的生产工艺,重点介绍了水解液的脱毒,发酵有关的微生物,菌种选育和几种典型的发酵工艺;对发酵乙醇的几种典型微生物如酿酒酵母、管囊酵母、树干毕赤酵母、休哈塔假丝酵母和运动单胞菌等进行了介绍,并对当今存在的问题进行了分析和展望.     

人工湿地植物制备燃料乙醇研究进展

近年来,石油资源短缺,利用木质纤维素制备燃料乙醇越来越受到重视,本文以人工湿地植物为研究对象,利用人工湿地植物制备燃料乙醇,可以减少有害气体的排放、缓解粮食原材料的紧缺、减少植物处理不当产生的二次污染。但同时存在乙醇产率低、纤维素酶价格贵、木质纤维素预处理过程不成熟等问题。本文首先从人工湿地植物的抗性及去污能力、种间合理搭配及综合利用价值三方面入手,论述了在选择人工湿地植物时应注意的问题。其次重点分析了人工湿地植物及其它木质纤维素的有效成分、人工湿地植物及其它木质纤维素的预处理方法及效果、水解方法及效果,讨论了人工湿地植物制备燃料乙醇的可行性及生产燃料乙醇的研究发展趋势。最后提出,人工湿地植物可以代替粮食作物生产燃料乙醇。     

Pretreatment of Rice Hulls for Cellulase Production by Solid Substrate Fermentation

Abstract

Rice hulls via pretreatment served as a solid substrate for cellulase production. Different pretreatment methods, including microwave irradiation, organosolv process catalyzed by acid or alkali were compared. With rice hulls pretreated by microwave irradiation coupled with alkaline pretreatment and rice hulls pretreated with organosolv process catalyzed with acid or alkali, the maxima of filter paper activity (FPA) obtained during the fermentation were 18%, 21%, 31% higher, and maxima of the carboxy‐methyl cellulase (CMCase) were 7.7%, 14%, 16% higher than those obtained with the rice hulls pretreated only with alkali, respectively. The ratios of cellulose degradation were also estimated and they showed similar tendency with the maxima of FPA detected in the fermentation processes.     

纤维素乙醇的原料预处理方法及工艺流程研究进展

木质纤维生物质是储量丰富且最有前景的生产燃料乙醇的可再生生物质资源,利用木质纤维生物质生产乙醇主要包括以下步骤：原料预处理、发酵以及产物分离纯化,其中,原料的预处理工艺是限制纤维素乙醇产业化的一个技术瓶颈。本文对酸法、碱法、蒸汽爆破法、合成气法等7种典型预处理方法进行了介绍并对其工艺流程进行简要的说明,同时对不同的预处理方法的优劣、适用范围和工艺流程转化效率等进行了对比,以期为纤维素乙醇预处理方法的工艺选择和评价提供一些参考。提出了纤维素乙醇的产业化前景：不同预处理技术的合理结合使用会有效提高转化率;较好的过程设计能够降低成本,有利于整个过程的经济性。